EP1439302A1 - Kraftstoffinjektor und Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Kraftstoffinjektor und Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine Download PDF

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EP1439302A1 EP03100085A EP03100085A EP1439302A1 EP 1439302 A1 EP1439302 A1 EP 1439302A1 EP 03100085 A EP03100085 A EP 03100085A EP 03100085 A EP03100085 A EP 03100085A EP 1439302 A1 EP1439302 A1 EP 1439302A1
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Definitions

  • At least one fuel outlet of the fuel injector is optionally designed such that that fuel emerging from this is not integrated into the fuel injector Electrode is directed. This is preferably for all fuel outlets of the fuel injector the case so that it is structurally ensured that liquid fuel cannot reach the electrode directly.
  • the integrated design of fuel outlets and electrode has the advantage that such Alignment set with high precision in the manufacture of the fuel injector can be. It should be noted, however, that it is also part of the Invention lies when fuel outlets of the fuel injector onto the electrode are directed. This can be the case, for example, when the impulse of the injected fuel is known to be so low that it is the electrode not reached. Finally, applications are also conceivable in which a certain Wetting of the electrodes is desired.
  • the counter electrode on the piston is also preferably an elevation on the Top of the piston formed which the electrode of the ignition device is facing.
  • an elevation on the piston can easily (Counter) electrodes are formed because there are electrical fields at the top focus on the survey.
  • the advantage of the integrated design of the fuel injector 1 shown with the ignition device 3, 4 is that a fixed relative geometry between the electrodes 3, 4 and the fuel outlets 2 is present. As from the side view can be seen in the right part of Figure 1, in particular by the alignment of the fuel outlets 2 and the arrangement of the electrodes 3, 4 ensure that the electrodes 3, 4 are not fuel jets 5 hit and therefore not be wetted. Such wetting would misfires and thus disadvantages in fuel consumption and pollutant emissions lead and should therefore be avoided. In known internal combustion engines, where the fuel injector and the ignition device (spark plug) are independent Components must be achieved through careful and precise installation that no wetting takes place. In contrast, the Integrated fuel injector with ignition device according to the invention much easier to be assembled. Another advantage of the integrated fuel injector 1 is in that it takes up less space due to its compact design, so that the valves can be designed accordingly larger and the cooling of the engine can be improved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung und Funkenzündung, wobei am Kraftstoffinjektor (21) eine Elektrode (24) integral ausgebildet ist und der Kraftstoffinjektor (21) mehrere ringförmig um die Elektrode angeordnete Kraftstoffauslässe (22) aufweist. Die relative geometrische Ausrichtung der Kraftstoffauslässe (22) des Kraftstoffinjektors (21) und der Elektrode (24) ist vorgegeben und unterliegt keinen Variationen beim Einbau. Durch die Anordnung wird gewährleistet, daß keine Kraftstoffstrahlen (25) direkt auf die Elektrode (24) gerichtet werden, sondern ein Kraftstoffnebel die Elektroden rundum umgibt. Gemäß einer Weiterbildung kann die Masseelektrode (23) der Zündeinrichtung am beweglichen Kolben (26) der Brennkraftmaschine ausgebildet sein. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung und Funkenzündung, in welchen mindestens eine Elektrode einer Zündeinrichtung integriert ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Zündeinrichtung für die Brennkammer einer Brennkraftmaschine, wobei in der Brennkammer ein beweglicher Kolben angeordnet ist und die Zündeinrichtung mindestens eine Elektrode enthält.
Aufgrund ihres günstigen Verhaltens finden Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung des Kraftstoffes in die Brennkammern (Zylinder) zunehmend Verbreitung. Bei den bekannten Motoren mit Direkteinspritzung und Strahlführung des eingespritzten Kraftstoffes werden der Kraftstoffinjektor und die Zündkerze dabei etwa in der Mitte der Decke der Brennkammer zwischen den Einlaß- und Auslaßventilen angeordnet. Diese Systeme führen jedoch zu Problemen bei der Anordnung der Kühlmittelmäntel des Zylinderkopfs. Weiterhin geht der vom Kraftstoffinjektor und der Zündkerze beanspruchte Platz für die Ventile verloren, so daß diese ungünstigerweise kleiner ausgelegt werden müssen. Schließlich besteht bei bekannten Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung das Risiko, daß die Elektroden der Zündkerze mit flüssigem Kraftstoff benetzt werden, was zu Fehlzündungen führt und den Kraftstoffverbrauch sowie die Kohlenwasserstoffemissionen erhöht. Dieselben Folgen können eintreten, wenn der Zündfunke kein gut vorbereitetes Luft-Kraftstoff-Gemisch antrifft.
Aus der US 6 340 015 B1 ist ein Kraftstoffinjektor mit einem zentralen Kraftstoffauslaß bekannt, bei welchem der Kraftstoffauslaß konzentrisch von integral mit dem Kraftstoffinjektor ausgebildeten Elektroden umgeben ist. Ähnliche Kraftstoffinjektoren mit integrierter Zündeinrichtung sind auch aus der DE 196 38 025 A1 und der EP 0 661 446 B1 bekannt. Nachteilig hieran ist, daß aufgrund der großen Nähe von Kraftstoffauslaß und Elektroden der eingespritzte Kraftstoff die Elektroden zu einem hohen Anteil unvernebelt, d. h. in flüssiger Form erreicht. In der Regel liegen die Elektroden sogar auf der direkten Trajektorie des eingespritzten Kraftstoffes. Dies führt zu den oben erläuterten Problemen in Bezug auf Fehlzündungen und erhöhte Kohlenwasserstoffemissionen.
Vor diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine robuste und kostengünstige Zündung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Zündeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6, sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung und Funkenzündung weist die erforderlichen und bekannten Bestandteile für die Einspritzung von Kraftstoff auf, also insbesondere einen Anschluß an eine Kraftstoffzuleitung, Kraftstoffkanäle und mindestens einen Kraftstoffauslaß, aus dem der Kraftstoff in eine Brennkammer gesprüht werden kann. Ferner ist in den Kraftstoffinjektor mindestens eine Elektrode einer Zündeinrichtung integriert. D. h., daß diese Elektrode fest mit dem Bauelement "Kraftstoffinjektor" verbunden ist. Der Kraftstoffinjektor ist dadurch gekennzeichnet, daß dieser mehrere Kraftstoffauslässe enthält, welche gleichmäßig, z. B. ringförmig, oval oder rechteckig um die in den Kraftstoffinjektor integrierte Elektrode herum angeordnet sind.
Durch die integrierte Ausführung von Kraftstoffinjektor und Zündeinrichtung kann in einfacher, für die Massenproduktion geeigneter Weise und mit hoher Präzision die relative Geometrie von Kraftstoffinjektion und Zündelektrode gewährleistet werden. Beim Einbau eines derartigen integrierten Kraftstoffinjektors muß daher keine besondere Sorgfalt aufgewendet werden, um das Risiko einer Benetzung der Elektroden durch versprühten Kraftstoff auszuschließen. Letzteres wird vielmehr durch die feste Verbindung von Kraftstoffinjektor und Elektroden erreicht.
Weiterhin wird durch die mehreren Kraftstoffauslässe eine Verteilung des eingespritzten Kraftstoffes in ein großes Raumvolumen erreicht, so daß der Kraftstoff schon kurz nach dem Verlassen des Injektors vernebelt bzw. verdampft ist. Durch die gleichförmige Anordnung der Kraftstoffauslässe um die Elektrode wird ferner sichergestellt, daß die Elektrode vom Kraftstoffnebel rundum umgeben ist, so daß eine Zündung sich optimal nach allen Richtungen ausbreitet.
Vorzugsweise enthält der Kraftstoffinjektor mindestens zwei, besonders bevorzugt etwa 10 bis 14 Kraftstoffauslässe, um eine ausreichend homogene Verteilung des Kraftstoffes in der Brennkammer zu erreichen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung enthält der Kraftstoffinjektor nicht nur einige, sondern alle Elektroden und Gegenelektroden einer Zündeinrichtung in integrierter Bauweise. Dies gewährleistet, daß die komplette Zündeinrichtung relativ zum Kraftstoffinjektor exakt die gewünschte Geometrie aufweist.
Vorteilhafterweise sind die Elektroden und Gegenelektroden der Zündeinrichtung derart angeordnet, daß der Zündfunke innerhalb des entstehenden Kraftstoffspühkegels, d. h. vorzugsweise entlang der Mittelachse des Kraftstoffinjektors entsteht. Dies gewährleistet eine homogene, symmetrische Zündung des eingespritzten Kraftstoffes.
Mindestens ein Kraftstoffauslaß des Kraftstoffinjektors ist optional so ausgestaltet, daß hieraus austretender Kraftstoff nicht auf die in den Kraftstoffinjektor integrierte Elektrode gerichtet ist. Vorzugsweise ist dies für alle Kraftstoffauslässe des Kraftstoffinjektors der Fall, so daß konstruktiv sichergestellt ist, daß flüssiger Kraftstoff nicht auf direktem Wege auf die Elektrode gelangen kann. Die integrierte Bauweise von Kraftstoffauslässen und Elektrode hat dabei den Vorteil, daß eine derartige Ausrichtung bei der Herstellung des Kraftstoffinjektors mit hoher Präzision eingestellt werden kann. Es sei indes darauf hingewiesen, daß es auch im Rahmen der Erfindung liegt, wenn Kraftstoffauslässe des Kraftstoffinjektors auf die Elektrode gerichtet sind. Dies kann zum Beispiel dann der Fall sein, wenn der Impuls des injizierten Kraftstoffes bekanntermaßen so gering ist, daß dieser die Elektrode nicht erreicht. Schließlich sind auch Anwendungen denkbar, bei denen eine gewisse Benetzung der Elektroden erwünscht ist.
Die Erfindung betrifft ferner eine Zündeinrichtung für die Brennkammer einer Brennkraftmaschine, wobei in der Brennkammer ein beweglicher Kolben angeordnet ist und die Zündeinrichtung mindestens eine Elektrode enthält. Die Zündeinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Gegenelektrode zur genannten Elektrode an dem Kolben ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Elektrode der Zündeinrichtung in der oben erläuterten Weise in einen Kraftstoffinjektor integriert. Ferner wird die Gegenelektrode am Kolben vorzugsweise auf Massepotential gelegt.
Durch die beschriebene Ausgestaltung einer Zündeinrichtung, bei welcher mindestens eine (Gegen-)Elektrode am beweglichen Kolben angeordnet ist, wird eine neue Funktionsweise der Zündung erreicht. Insbesondere stellt diese Ausgestaltung sicher, daß das Zündverhalten unmittelbar mit der Bewegung beziehungsweise der Position des Kolbens gekoppelt ist, da der Kolben nur zu bestimmten Phasen (wenn er in der Nähe des oberen Totpunktes ist) eine Position einnimmt, in welcher der Abstand zwischen Elektrode und Gegenelektrode klein genug für einen Zündfunken ist. Ferner wird durch die Ausbildung der Gegenelektrode am Kolben erreicht, daß ein Zündfunke sich bis zum Kolben erstreckt und daher eine vorteilhafte Lage in Bezug auf die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches annimmt.
Die Gegenelektrode am Kolben ist ferner vorzugsweise als eine Erhebung an der Oberseite des Kolbens ausgebildet, welche der Elektrode der Zündeinrichtung zugewandt ist. Durch eine Erhebung am Kolben kann in einfacher Weise eine (Gegen-)Elektrode ausgebildet werden, da sich elektrische Felder an der Spitze der Erhebung konzentrieren.
Die Gegenelektrode am Kolben wird vorzugsweise aus einem funkenresistenten Material hergestellt und/oder hiermit beschichtet, um der Belastung durch den Funkenüberschlag standzuhalten.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Zündung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Brennkammer einer Brennkraftmaschine durch einen elektrischen Funken. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß der Funke zwischen einer Elektrode und einem Kolben, der in der Brennkammer beweglich angeordnet ist, überspringt. Durch den Einsatz eines Kolbens als (Gegen-)Elektrode einer elektrischen Zündeinrichtung wird - wie vorstehend erläutert - der Vorteil erzielt, daß eine Zündung aufgrund geometrischer Gegebenheiten nur bei bestimmten Kolbenstellungen stattfinden kann. Ferner wird gewährleistet, daß der Zündfunke sich bis zum Kolben erstreckt, so daß die Explosion des Luft-Kraftstoff-Gemisches von hier ausgehen kann.
Vorzugsweise wird bei dem genannten Verfahren der Kolben auf Massepotential gelegt. Definitionsgemäß ist die Masse das Potential, auf welchem die Karosserie eines Kraftfahrzeuges liegt. In der Regel wird daher der Kolben ohnehin auf Massepotential liegen.
Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
zwei Seitenansichten des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors aus zwei zueinander senkrechten Richtungen;
Fig. 2
eine Ansicht von unten auf den Kraftstoffinjektor aus Richtung des Pfeils II von Figur 1, und
Fig. 3
eine Seitenansicht einer zweiten Ausgestaltungsform des Kraftstoffinjektors zusammen mit der Oberseite eines Kolbens, an welchem eine Masseelektrode ausgebildet ist.
In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor 1 in Seitenansichten aus zwei zueinander senkrechten Richtungen dargestellt. Der Kraftstoffinjektor 1 weist mehrere Kraftstoffauslässe 2 auf, aus denen wie in Figur 1 angedeutet während des Betriebs im Wesentlichen kegelförmige Kraftstoffstrahlen 5 austreten.
Ferner enthält der Kraftstoffinjektor 1 die Elektroden einer Zündeinrichtung, wobei im Zentrum beziehungsweise auf der Achse des Kraftstoffinjektors die Zündelektrode 4 angeordnet ist, welche von einer bügelförmigen Masseelektrode 3 umschlossen wird. Für den Zündvorgang wird dann in bekannter Weise eine hohe Spannung an die Zündelektrode 4 angelegt, so daß ein Zündfunke zur Masseelektrode 3 überspringt.
Der Vorteil bei der dargestellten integrierten Ausbildung des Kraftstoffinjektors 1 mit der Zündeinrichtung 3, 4 besteht darin, daß eine feste relative Geometrie zwischen den Elektroden 3, 4 und den Kraftstoffauslässen 2 vorliegt. Wie aus der Seitenansicht im rechten Teil von Figur 1 erkennbar ist, kann dabei insbesondere durch die Ausrichtung der Kraftstoffauslässe 2 und die Anordnung der Elektroden 3, 4 sichergestellt werden, daß die Elektroden 3, 4 nicht von Kraftstoffstrahlen 5 getroffen und daher nicht benetzt werden. Eine derartige Benetzung würde zu Fehlzündungen und damit Nachteilen beim Kraftstoffverbrauch und der Schadstoffemission führen und ist daher zu vermeiden. Bei bekannten Brennkraftmaschinen, bei denen der Kraftstoffinjektor und die Zündeinrichtung (Zündkerze) unabhängige Bauteile sind, muß durch einen sorgfältigen und präzisen Einbau erreicht werden, daß keine Benetzung stattfindet. Im Gegensatz hierzu kann der erfindungsgemäße integrierte Kraftstoffinjektor mit Zündeinrichtung sehr viel einfacher montiert werden. Ein weiterer Vorteil des integrierten Kraftstoffinjektors 1 besteht darin, daß dieser aufgrund seiner kompakten Bauweise weniger Platz beansprucht, so daß die Ventile entsprechend größer ausgelegt werden können und die Kühlung des Motors verbessert werden kann.
In Figur 2 ist der Kraftstoffinjektor von Figur 1 in einer Ansicht von unten aus der Richtung des Pfeils II von Figur 1 dargestellt. Erkennbar ist hierbei insbesondere, daß die Zündelektrode 4 etwa im Mittelpunkt eines Ringes von Kraftstoffauslässen 2 liegt, wobei jedoch die in Richtung der Masseelektrode 3 weisenden Kraftstoffauslässe ausgespart sind.
Figur 3 zeigt eine Abwandlung des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors 21. Im Unterschied zu den Figuren 1 und 2 weist der Kraftstoffinjektor 21 neben den Kraftstoffauslässen 22 nur eine Elektrode - die Zündelektrode 24 - auf, die wiederum integriert auf seiner Mittelachse angeordnet ist. Die Gegenelektrode 23 (Masseelektrode) hierzu ist zentral an der Oberseite des Kolbens 26 in Form einer Erhebung ausgebildet, wobei der Kolben in bekannter Weise in der Brennkammer (nicht dargestellt) auf und ab beweglich ist. Da der Kolben insgesamt aus Metall ausgebildet ist, kann er problemlos auf Massepotential gelegt werden, falls er sich nicht ohnehin bereits auf diesem Potential befindet.
Die Masseelektrode 23 kann aus dem Material der Kolbenoberseite hergestellt sein, sie kann jedoch auch aus einem besonderen Material bestehen oder eine besondere Beschichtung aufweisen, falls dies zur Steigerung der Funkenbeständigkeit erforderlich ist.
Durch die Ausbildung der Massenelektrode 23 am Kolben wird einerseits Platz an der Decke der Brennkammer gewonnen, andererseits kann ein günstiges Zündverhalten erreicht werden, da ein zündfähiger Abstand zwischen Zündelektrode 24 und Massenelektrode 23 nur in bestimmten Kolbenpositionen in der Nähe des oberen Totpunktes vorliegt. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der Zündfunke bis zum Kolben hinabreicht und daher auch eine Zündung des dort befindlichen Luft-Kraftstoff-Gemisches erfolgen kann.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Ausbildung einer Gegenelektrode beziehungsweise Masseelektrode an der Oberseite des Kolbens einen unabhängigen Aspekt der Erfindung darstellt, welcher auch bei Zündeinrichtungen genutzt werden kann, die nicht in einen Kraftstoffinjektor integriert sind.

Claims (10)

  1. Kraftstoffinjektor (1, 21) für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung und Funkenzündung, in welchen mindestens eine Elektrode (3, 4, 24) einer Zündeinrichtung integriert ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       dieser mehrere Kraftstoffauslässe (2, 22) enthält, welche gleichmäßig um die integrierte Elektrode (3, 4, 24) angeordnet sind.
  2. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       dieser mindestens zwei Kraftstoffauslässe (2, 22) enthält.
  3. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       dieser alle Elektroden (3) und Gegenelektroden (4) einer Zündeinrichtung enthält.
  4. Kraftstoffinjektor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       die Elektroden (3, 23) und Gegenelektroden (4, 24) derart angeordnet sind, daß der Zündfunke entlang der Mittelachse und/oder innerhalb des Kraftstoffsprühkegels des Kraftstoffinjektors entsteht.
  5. Kraftstoffinjektor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       mindestens ein Kraftstoffauslaß (2, 22) des Kraftstoffinjektors (1, 21) derart ausgestaltet ist, daß austretender Kraftstoff (5, 25) nicht auf die integrierte Elektrode (3, 4, 24) gerichtet ist.
  6. Zündeinrichtung für die Brennkammer einer Brennkraftmaschine, wobei in der Brennkammer ein beweglicher Kolben (26) angeordnet ist und die Zündeinrichtung mindestens eine Elektrode (24) enthält,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       mindestens eine Gegenelektrode (23) an dem Kolben (26) ausgebildet ist.
  7. Zündeinrichtung nach Anspruch 6,
       dadurch gekennzeichnet, daß
       die mindestens eine Elektrode (24) der Zündeinrichtung in einen Kraftstoffinjektor (21) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5 integriert ist.
  8. Zündeinrichtung nach Anspruch 6 oder 7,
       dadurch gekennzeichnet, daß
       die Gegenelektrode (23) als Erhebung an der der Elektrode (24) zugewandten Oberseite des Kolbens (26) ausgebildet ist.
  9. Zündeinrichtung nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       die Gegenelektrode (23) aus einem funkenresistenten Material besteht und/oder hiermit beschichtet ist.
  10. Verfahren zur Zündung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Brennkammer einer Brennkraftmaschine durch einen elektrischen Funken,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       der Funke zwischen einer Elektrode (24) und einem Kolben (26) der Brennkraftmaschine entsteht.
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